专利名称：用于非连续燃烧的燃气透平的制作方法
技术领域：
本发明的主题是用于非连续燃烧的燃气透平，带有至少一个具有进口阀或进口阀和点火装置的燃烧室。所述至少一个燃烧室在排气侧不具有关断装置，因此排气侧一直是打开的。在所述至少一个燃烧室的下游，提供了可被在燃烧室中所获得的工艺气体 (Arbeitsgas)撞击的透平。流通室被定位在燃烧室和透平之间，沿轴向地位于燃烧室的后面。进一步地，本发明的主题是用于操作燃气透平的方法。本发明还涉及用于机器的驱动系统，所述机器具有作为其核心的根据本发明的燃气透平。
背景技术：
一方面，传统的、最先进的透平发动机因为在空气进给到燃烧室中之前所需的空气压缩工序(压缩机作业)而不断地损失能量。另一方面，为确保透平的作用及操作，必须不断地喷射燃料，即使透平在低负荷下操作。这导致高的能量消耗及连带的严重的环境影响。活塞发动机使非连续的燃料供给成为可能。一种活塞马达型，行星活塞发动机 (旋转发动机或汪克尔发动机)从燃烧工序直接地产生旋转运动。除了间断性地燃料供给的优点外，行星活塞马达还提供超过传统往复式活塞马达的优势它们更轻且具有更少的组件(没有驱动连杆或曲轴)，它们的控制简单，且由于活塞面处的摩擦损失减少，它们的效率更高。然而，由于三个气密室的密封难度及带有偏心轴的偏心轴承，这种类型的马达还未完全被市场接受。带有用于间断性操作的燃烧室的燃气透平也是已知的。比如，奥地利专利说明书AT311 735号描述了一种用于在燃烧室内间断性燃烧的包含进口阀的燃气透平。此处，燃料的装料、燃烧和膨胀以周期性间隔接连发生。进口阀由凸轮轴致动，凸轮轴由电动马达驱动。电动马达由位于燃烧室内的温度及压力传感器电子地控制。燃气透平规避了往复式活塞发动机中由于密封件而发生的高的摩擦损失，平均占到总输出的15%至25% (在部分负荷操作中高达40%)。然而，目前还不能实现对此燃气透平的令人满意的控制。AT 379 217公开了一种类似的脉冲驱动燃气透平，其中引导叶片/转轮组合及受控制的进口系统可确保其近等容燃烧特性。进口系统包含带有开口的并具有驱动和控制装置的可旋转阀盘。但是目前还不可能在爆燃过程中在技术上气密地关闭阀盘。此外，此燃烧透平具有复杂的及迷宫似的结构，这导致了功率输出损失及高的制作成本。US 2，557，198A公开了一种间断性燃烧的气体透平，其中燃烧室均具有进口和出口阀。两个透平直接地安排在燃烧室后，在两个透平之间布置有用于补偿压力波动的室。此处，操作中阀盘的使用也会引起密封问题；此外，排气侧阀盘暴露至非常高的温度，且这就是为什么特别地预计磨损及热变形问题在这一刻发生的原因。
DE 2 232 025A1公开了一种气体透平系统-特别是恒定容积燃烧的带有压缩机的驱动传动装置，其中压缩机消耗了大量压缩能量且继而显著地减少了总效率。避免了机械上复杂的及易于干涉的、燃烧室处的出口阀。在DE 2 232 025A1的具体实施例中，燃烧室空间被分为初级和次级腔，通过颈缩物分离初级和次级腔。然而，颈缩物引起燃烧气体回流，且因此产生初级及次级室充注的不同。DE 2 232 025A1的另一个实施例示出了带有位于透平周围的燃烧室的燃气透平。 此布置导致了高的透平轴承温度并需要对其进行冷却。此外，在此布置中，从燃烧室来的燃烧气体在冲击压缩机透平之前被转向180°。此转向导致了至透平的不平衡的流及功率输出损失。
发明内容
因此本发明旨在公开一种带有简单结构的燃烧发动机，其将燃烧气体的动能直接地转化为旋转运动，而无需应付之前所述的透平发动机或活塞发动机的缺点。此任务由根据权利要求1的用于间断性燃烧的燃气透平所解决。在此透平中，流通室通过弓I导板或另外的透平与至少一个燃烧室隔开。流通室通过引导板或另外的透平与至少一个燃烧室的隔开使得工艺气体流动更均勻。流通室轴向地安排在至少一个燃烧室的下游是有利的，因为流通室中工艺气体的流动也由此变得均勻且可避免由于工艺气体流转向而导致的输出损失。燃气透平继而具有紧凑及线性的结构。另外的透平产生以下另外的优点含在工艺气体中的部分动能已转化成旋转运动。根据本发明的燃气透平只需要进口阀。没有牵涉一定技术难度的热气(排气)阀或滑动装置被使用。其没有传统奥拓发动机或压缩点火发动机中必须消耗在出口阀的作业上的损耗损失。此新的设想避免了气体循环损失(在奥拓发动机的中间传动装置高达 40% )0在燃烧气体的喷出方面没有损失发生且无需膨胀功打开出口阀。另外的有利实施例是从属专利权利要求的主题。有利地，流通室具有阀开口，可较佳地通过其供给空气。这样，较佳地，在燃烧室点火不久之前，冷空气可被供给至流通室。点火后，从燃烧室流动来的热的工艺气体将此冷空气从流通室推挤通过透平。这导致输出增大及气体透平的冷却效果。为流通室提供次级点火系统是有用的。有了其，先前未被焚烧的燃料颗粒可被焚烧。如此，流通室完成了后燃烧室的目的。比如，这使得能够使用含焦燃料发动燃气透平。 由于燃烧室内的高温，燃料的焦油成份破裂并继而在流通室中被焚烧。还可想象将附加的燃料喷射进流通室，如通过喷射喷嘴。此燃料增加了燃烧透平(增速透平Boosterturbine) 的功率输出。其可用次级点火系统或自动点火点燃。将引导板设计为穿孔板是有利的，因为这会导致更均勻的工艺气体流动。在本发明的一个有利实施例中，引导叶片机构被定位在流通室和透平之间以产生漩涡流。这使得可以达到更高的通过透平的工艺气体流量及因此的更高输出。这意味着用于同样输出的透平可以更小。漩涡流的基本优点在于改进的流动噪音的声学退耦及燃烧室中的压力波动。用漩涡流阻止压力波动还会引起整个流动横截面上更均勻的温度分布且由此，透平进口处更低的最高温度。将用于产生漩涡流的引流元件尽早地提供在流通室中也是有用的。通过将流通室设计为拉瓦尔喷嘴，可在燃气透平中制造非常有利的流动条件。在本发明的另一个有利实施例中，燃烧透平具有几个，较佳地是四个燃烧室。这些燃烧室可单个地或联合地操作，涵盖自0至100%的部分的输出或负荷范围，导致进一步的重要的在减少的NOx，CO, HC+NOx及0)2排放方面的能量节省。有利地，燃烧室连接至联合的流通室。本发明的主题还是燃气透平的操作方法，其中空气通过进口阀被供给至至少一个燃烧室，与燃料混合并在燃烧室中焚烧，燃烧室在出口侧不被关闭，且其中，透平被以这种方式获得的工艺气体撞击，工艺气体在撞击透平之前流动通过轴向地定位在所述至少一个燃烧室下游的流通室。工艺气体经由弓I导板或另外的透平从所述至少一个燃烧室供给至流通室。除流通室产生的效果外，此引导板或，分别地，另外的透平使工艺气体流更均勻。有利地，空气被间断地添加到流通室中的工艺气体中，空气继而被推挤通过透平， 导致燃气透平输出的增大及冷却效果。为流通室中的工艺气体提供后燃烧是有利的。还可想象向流通室中喷射附加的燃料用于后燃烧。在本方法的一个非常有利的实施例中，使所述至少一个燃烧室下游的工艺气体在供给至透平之前涡旋。这导致更高的透平速度及/或燃烧室对透平的声学退耦。本发明还覆盖用于机器的驱动系统，所述机器利用燃烧式发动机，如车辆，飞机， 船舶，发电机，建筑机器及传动装置，其中燃烧式发动机是根据权利要求1至9之一的燃烧式发动机。
下文将参考以下的图对本发明进行描述，其中图1所示为根据本发明的燃气透平的示意性纵视图，图2所示为根据本发明的燃气透平的燃烧室区域的视图，图3所示为引导板的示意性视图；图4所示为带有根据本发明的燃气透平而操作的、用于车辆的驱动系统的示意性视图。
具体实施例方式图1所示为通过本发明的可能实施例的纵向截面。所描绘的燃气透平1主要由初级阀头33，燃烧室区域34，随后的流通室5，透平4及带有轴承罩27的驱动轴沈组成。初级阀头33牢固地连接至燃烧室区域34且其勾画出燃烧室3的上侧。安排在阀支架23中的进口阀2容纳在初级阀头33的内侧。在本例中，燃烧室区域34包含四个圆柱形燃烧室3，空气分别地经由空气进口开口 20，进口阀2供给到燃烧室3中，且燃料经由燃料供给系统M供给。燃料供给系统M可被设计为一个或几个喷射喷嘴(单个喷嘴或成排的喷嘴，如压电式喷射器)。
还可想象将燃料加至燃烧室3外侧的空气。在此情形中，燃料/空气混合物可经由进口阀2供给至燃烧室3。燃烧空气及燃料至燃烧室3的进给可配有传统的吸入马达或传统的喷射系统及喷嘴形式。带有启动器通气孔22的启动器通气管21被安排在四个燃烧室3的内侧。每个燃烧室3都具有用于点燃燃料/空气混合物的点火装置18。点火装置18可被设计为传统的火花塞或现代的点火系统，如激光点火系统。燃烧室颈缩物32或半球形分流器31位于燃烧室3的末端。燃烧室3之后是引导板6，在本实例中设计为带有单个引导板开口观的穿孔板。引导板6使得工艺气体流变得更均勻。替代引导板6或除引导板6之外，另外的透平7可定位在燃烧室3的下游。另外的透平7在图1中由点划线示出。流通室5位于燃烧室3和透平4之间；在本实例中，其是圆柱形且由流通室壁30 形成。流通室5沿轴向地位于燃烧室3之后，这意味着燃烧室3和流通室5大体上具有相同的纵向轴线或燃烧室3的纵向轴线和流通室5的纵向轴线处于互相平行。由于这种结构，工艺气体从燃烧室3流动进入流通室5时没有太多的转向或方向上的变化。流通室5 具有阀开口 8，通过其，空气可附加地供给至燃气透平1。可选择地，用于后燃烧的燃料可经由喷射喷嘴10供给至流通室5。流通室5还可具有次级点火系统9。如果来自燃烧室3 的工艺气体温度高于附加的燃料供给的自动点火温度，则次级点火系统9是多余的。供给至流通室5的燃料可具有与供给至燃烧室3的燃料不同的材料属性，如不同的自动点火温度。燃料也可经由阀开口(进口阀)8供给至流通室5。不言而喻，燃烧室可在没有后燃烧的情形下操作。在工艺气体中引起漩涡流的引导叶片机构11被安排在流通室5和透平4之间。为此目的，(上游)流通室5可具有引流元件12。例如，引导叶片机构11可以是漩涡网格状物。流通室5也可被设计成拉瓦尔喷嘴(未表现出)。拉瓦尔喷嘴也可引导工艺气体成漩涡状。透平4经由驱动轴沈支撑在轴承罩27中，驱动能量经由驱动轴沈被带到外侧。 可以想象另外的透平7也直接连接至驱动轴沈，这意味着驱动轴沈延伸通过流通室5。在透平4的下游，提供了排气通道25用于排放排气。图2所示为燃烧室区域34的视图。可清晰地看到带有侧面启动器通气孔22的启动器通气管21。燃烧室区域34通过连接法兰13连接或螺接至流通室壁30。图3所示为带有引导板开口观的引导板6。在本例中，这些引导板开口 28被设计为槽且与壁平行，但它们也可是圆形或其它形状。此通路根据所使用的燃料可以是圆柱形， 圆锥形，拉瓦尔形等。还可想象引导板6具有引流元件，用于产生漩涡流的目的。下文将介绍根据本发明的燃气透平1的功能原理。对于燃气透平1的启动流程，经预压缩的空气或启动器气体经由启动器通气管21 及启动器通气孔22供给到燃烧室3中，用于燃烧工序；进口阀2关闭。添加燃料至空气或启动器气体且用点火装置18点燃混合物。膨胀的工艺气体继而引起透平4开始旋转。或者，在进口阀2打开的状况下，可发生外部激活以启动透平4。旋转的透平4由此在燃烧室3中制造真空，继而燃烧空气通过进口阀2被吸入。然后进口阀2关闭，喷射燃料且立即点燃混合物。因而造成的工艺气体现在驱动透平4。透平4的外部激活则不再需要。正常操作时，旋转的透平4通过打开的进口阀2将燃烧空气吸入燃烧室3。可选择地，燃烧空气可被机械地或热力地预压缩。进口阀2关闭之后，喷射燃料且立即触发点火。阀经由凸轮轴或使用无凸轮原理操控。进口阀2关闭的时间及因此的流量可在驱动功率需求下被精确地化学计量地协调。燃料/空气混合物的点燃导致了快速的温度升高。当工序近似等容地(V=常数)进行时，根据气体等式，压力增大会立即发生。然而，工艺气体只能轴向地向引导板6 及流通室5膨胀以变得更加均勻，直到其最终冲击到透平4并提供给后者附加的旋转能量。 引导板6也可设计为漩涡网格状物。输出经由驱动轴沈放出并供应给外部用户，如发电机 14。用于通过整个机器的流动的持续的轴向布置意味着具有清晰的，简单的几何结构，有着异常高的效率。在接下来的循环中，一个进口阀2或几个进口阀2被打开且燃烧空气被吸入/压入相应的燃烧室3。替代引导板6或除引导板6之外，另外的透平7可被安置。此另外的透平7可直接连接至透平4的驱动轴沈或配有其自己的驱动轴，用于将能量与燃气透平1分开。如果燃烧室区域34包含几个燃烧室3，则根据所期望的功率输出，存在同时地或顺次地操作一个或几个燃烧室3的选择。因为比如通过被作为目标的每个燃烧室3的燃料流量比例，能够调整每个燃烧室3以优化燃烧及输出需求，单个的喷射系统及单一点火是有利的。本发明可确保所有负荷范围内的化学计量燃烧。这转化为优化的燃料利用连同低的排气值。此处，激光点火系统-允许调整燃烧室3中的点火深度-提供了附加的优点。可变阀及焚烧器室控制(单独地或一起地)可允许扭矩特性的优化设计，而且也会减少部分负荷范围内的消耗。与活塞发动机相反，无需考虑活塞的相位，因为本发明不包括活塞。而且，当燃烧室被充满时，没有剩余气体的回流会发生。另外，充注过程中燃烧室压力与环境压力近似相等。这意味着打开或关闭进口阀或阀2所需的压力可减少60%至80%。这证明了，就能量消耗，速度(线性调整)及阀调整的准确性而言，在电机械操控的进口阀2中特别有利。对点火及喷射程序的控制较佳地为电子地实现，但也可是电气的，机械的/液压的或所提及系统的组合。将进口阀2，燃料供给系统M及点火装置18的控制和调节建立在燃烧参数，如(X)2排放，燃料消耗，燃烧温度，大气压力，负荷压力，喷射时间，喷射压力，喷射量，喷射的开始等的基础上是有利的。这些燃烧参数可用传感器决定。在流通室5中，使从燃烧室3流动来的工艺气体变得更均勻。另外，空气，较佳地是冷空气，经由阀开口 8被供给至流通室5，即在一个或几个燃烧室3中的燃料/空气混合物点燃不久之前。在燃烧室中的点火发生不久之前，阀开口 8被关闭。来自燃烧室3的膨胀工艺气体将此冷空气推挤从流通室5也通过透平4。在本例中，后燃烧在流通室5中操作，为此，在流通室5中提供了次级点火系统9和一个或几个喷射喷嘴10。如果从燃烧室3流动而来的工艺气体温度高于供给至流通室5的燃料的自动点火温度，则后燃烧可在流通室5中操作，无需次级点火系统9。由于流通室5中的引流元件12及/或引导叶片机构11，引起工艺气体流涡旋，这个效果基本上可持续至透平进口区域。漩涡显著地增加流量，同时减少压力损失。
来自流通室5的漩涡流能够分为至引导叶片机构11的引导叶片，或在设计为没有引导叶片时至透平4的转轮的轴向及径向进流组份。由于漩涡的旋转方向，在引导叶片机构11的引导叶片方向上的转向的气体流被供给至气体流。可以在流通室5中安排引流元件35 ；在本例中，其为抛物线形。其较佳地位于流通室的末端截面中。燃烧室3中也可配备有制造回旋或漩涡的元件。为冷却燃气透平1，其可被热交换器围绕，热交换器设计为，例如，双夹套。在此情形下，透平排热可被用于加热的目的。也可想象驱动轴沈的轴承具有冷却系统。作为燃气透平1的燃料，市场上可买到的任意液态的，气态的及可燃的碳氢化合物(如苯，柴油，包括各种生物柴油，甲醇，乙醇，其他酒精，生物气体，蒸馏气体，天然气，煤油，碎煤粉等)及氢气都可被使用。甚至可以想象用木煤气或其它类型的生物质气体操作。 在此情形下，一些气体成份可在燃烧室3中被焚烧，而其它成份，如焦油或另外的长链碳氢化合物，将会在燃烧室3的高温下破裂为短链碳氢化合物，而这些化合物将在流通室5中焚烧。这意味着无需昂贵的气体清理。可附加地，可喷射水到燃烧室3中的一个或流通室5 中。也可添加水至燃料，用于进一步增加性能。图4通过例子示出了用于车辆19的驱动系统，其中根据本发明的燃气透平驱动用于发电的发电机14。由此生产的电流15可被直接供给至汽车驱动发动机17。也可想象将电流15事先供给至电池16。可由汽车调速器四保证相应的控制。在此情形下，燃气透平可持续地或间断地操作。图中所示的实施例仅代表本发明的优选实施例。本发明还包含其它实施例，如，包含几个流通室6而不仅一个流通室6以使工艺气体流均勻的实施例。后燃烧也可在这些几个流通室6中操作。
权利要求
1.一种用于间断性燃烧的燃气透平，带有至少一个具有进口阀(2)和点火装置(18)的燃烧室(3)，所述至少一个燃烧室C3)在排气侧不具有关断装置且因此在所述排气侧一直是打开的，其中可被在所述燃烧室(3)中获得的工艺气体撞击的透平(4)定位在所述至少一个燃烧室(3)的下游；带有流通室(5)，所述流通室(5)定位在所述至少一个燃烧室(3) 和所述透平(4)之间，轴向地位于所述至少一个燃烧室(3)的下游，其特征在于，所述流通室(5)通过引导板(6)或另外的透平(7)与所述至少一个燃烧室(3)隔开。
2.根据权利要求1的燃气透平，其特征在于，所述流通室(5)具有阀开口(8)，空气可较佳地通过所述阀开口(8)而供给。
3.根据权利要求1或2的燃气透平，其特征在于，所述流通室(5)具有次级点火系统⑶。
4.根据权利要求1至3的其中一项的燃气透平，其特征在于，至少一个喷射喷嘴(10) 定位在所述流通室(5)中，用于进给燃料。
5.根据权利要求1至4的其中一项的燃气透平，其特征在于，所述引导板(6)被设计为穿孔板。
6.根据权利要求1至5的其中一项的燃气透平，其特征在于，引导叶片机构(11)被定位在所述流通室( 及所述透平(4)之间。
7.根据权利要求1至6的其中一项的燃气透平，其特征在于，引流元件(1 定位在所述流通室(5)中，用于制造漩涡。
8.根据权利要求1至7的其中一项的燃气透平，其特征在于，所述流通室( 被设计为拉瓦尔喷嘴。
9.根据权利要求1至8的其中一项的燃气透平，其特征在于，所述燃气透平(1)具有几个燃烧室(3)，较佳地是四个燃烧室(3)，还在于这些燃烧室C3)连接至一个联合的流通室 ⑶。
10.一种燃气透平(1)的操作方法，其中空气通过进口阀( 被供给至至少一个燃烧室(3)，与燃料混合并在所述燃烧室C3)中焚烧，所述燃烧室C3)在出口侧不被关闭，且透平 (4)被以这种方式获得的工艺气体撞击，在撞击所述透平(4)之前，所述工艺气体流动通过轴向地定位在所述至少一个燃烧室(3)的下游的流通室(5)，其特征在于，所述工艺气体经由引导板(6)或另外的透平(7)从所述至少一个燃烧室C3)供给至所述流通室(5)。
11.根据权利要求10的方法，其特征在于，空气被间断性地供给至所述流通室(5)中的所述工艺气体。
12.根据权利要求10或11的方法，其特征在于，在所述流通室(5)中操作所述工艺气体的后燃烧。
13.根据权利要求10至12的其中一项的方法，其特征在于，附加的燃料被供给至所述流通室(5)，用于后燃烧。
14.根据权利要求10至13的其中一项的方法，其特征在于，在所述至少一个燃烧室 (3)之后，使所述工艺气体在被供给至所述透平(4)之前涡旋。
15.用于机器的驱动系统，所述机器使用燃气发动机，如车辆，飞机，船舶，发电机，建筑机器及传动装置，其特征在于，所述燃气发动机是根据权利要求1至9中的其中一项的燃气透平(I)。
全文摘要
本发明涉及一种燃气透平(1)，在燃气透平(1)内的燃烧是间断性的，并且燃气透平(1)包括至少一个具有进口阀(2)和点火装置(18)的燃烧室(3)。所述至少一个燃烧室(3)在排气侧不具有关断装置且因此排气侧一直是打开的。燃烧室(3)中获得的工艺气体可被供给至透平(4)，透平(4)被安排在所述至少一个燃烧室(3)的下游，流通室(5)被安排在所述至少一个燃烧室(3)和所述透平(4)之间，轴向地位于所述至少一个燃烧室(3)之后。所述流通室(5)通过引导板(6)或另外的透平(7)与所述至少一个燃烧室(3)划界开。本发明还涉及用于燃气透平(1)的操作方法及用于机器的驱动系统，机器具有所要求保护的燃气透平(1)作为其必要部件。
文档编号F02C5/12GK102165168SQ200980134658
公开日2011年8月24日 申请日期2009年8月5日 优先权日2008年8月26日
发明者埃德蒙德·洛伦茨, 弗朗茨·尼德尔, 赫尔穆斯·加勃尔 申请人:埃德蒙德·洛伦茨, 弗朗茨·尼德尔, 赫尔穆斯·加勃尔